双圆极化频率复用数传链路极化损耗影响分析

张莎莎 刘希刚 黄缙

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

近年来，遥感卫星星载遥感器由单一遥感器向多遥感器发展。同时，随着星载遥感器的地面像元分辨率、量化位数的不断提高，遥感卫星观测数据量也有了极大的提升，数据传输通道的传输能力不足，而造成星地数据传输频带资源紧张。

为满足遥感卫星对数据传输系统能力需求的迅速增加，一方面须不断拓展新的工作频段，目前已考虑由传统的X 频段拓展到Ka频段；另一方面可引入双极化频率复用（简称极化复用）技术，即利用不同极化的正交特性，将2路不同数据在同一频域、同一时域利用极化特性分隔开来，从而将有限射频带宽的通信容量增加一倍，这对缓解日趋紧张的频谱资源有重要的意义［1-2］。目前，双圆极化频率复用技术已成功应用于我国低轨遥感卫星，通过该技术可同时向地面站发送两路码速率为450 Mbit／s的X频段数传信号，极大地提高了数据传输的效率，使我国遥感卫星数传技术达到了世界先进水平。该技术在目前我国在研的多颗遥感卫星中也都得到了应用。

本文首先简要介绍遥感卫星双圆极化复用数传技术的原理，然后通过对数传链路的分析提出一种极化损耗的计算方法，并研究极化损耗对链路性能的影响，以为数传链路的设计提供参考。

2 双圆极化频率复用技术的基本原理

2．1 双圆极化频率复用的概念

双圆极化频率复用是指在同一频点利用左旋和右旋圆极化相互正交的特性，将两个通道的信号分别利用两种圆极化方式进行传输。由于实际工程中的圆极化信号均为椭圆极化，因此两种交叉极化波之间无法做到完全正交。评价交叉极化水平的指标通常用交叉极化隔离度（ⅠXP）或交叉极化鉴别率（DXP）来表示。在数据传输过程中，假设入射波能量为E1，经过数据传输系统后，会产生两个分量：一个是同极化分量，能量为E11；另一个为交叉极化分量，能量为E12。交叉极化鉴别率（DXP）定义为：

式中：DXP的单位为dB；b1为极化波的能量反旋系数。当有两个正交的极化波时，设进入系统前能量分别为E1和E2，在经过系统后，这两个电磁波都会产生同极化和交叉极化分量。交叉极化隔离度（ⅠXP）的定义为，接收的同极化波的能量与接收的交叉极化的能量之比，即

式中：ⅠXP的单位为dB；E11为接收端接收到的E1极化波的同极化分量；E21为接收到的E2极化波的交叉极化分量。当两个发射信号的幅值相等、发射端与接收端特性相同且经历同样的路径时，可认为ⅠXP和DXP的值相等。DXP和ⅠXP的定义适用于所有正交极化信号传输系统。

2．2 交叉极化干扰的产生

在双圆极化复用星地数传链路中，由于发射及接收端极化的非圆性，以及传输途径中各种介质存在着去极化效应（例如雨滴），会产生不同程度的交叉极化分量，以上这些因素就会造成一种极化波的一部分能量转换为与之正交的极化状态，造成两个正交极化通道之间的干扰，这种现象称为交叉极化干扰［3-5］。即交叉极化引入的干扰通常可划分为3个环节［2］：

（1）数传系统发射端引入的交叉极化干扰；

（2）数据传输路径中，由于电离层、大气等传输介质的去极化效应引入的交叉极化干扰；

（3）数传系统接收端引入的交叉极化干扰。

交叉极化干扰可通过交叉极化损耗来衡量。

3 双圆极化频率复用数传链路的极化损耗

3．1 信号传输过程分析

在遥感卫星双圆极化复用数据传输系统中，通常两路数传通道发射信号的能量相等、信号传播经历的路径相同、且接收端的特性也相同，可认为该系统的双极化过程是对称的，因此有以下假设：

发射左旋信号的功率为EL，发射右旋信号的功率为ER，且EL＝ER；发射端双圆极化的能量反旋系数为bT，传输路径的等效能量反旋系数为bL，接收端能量反旋系数为bR，于是，经发射端的发射出的主极化分量ELL＝（1-bT）EL，ERR＝（1-bT）ER；经发射端发射出的交叉极化分量ELR＝bTEL，ERL＝bTER……以此类推。考虑传输路径的去极化效应后，链路各环节的主极化分量和交叉极化分量的功率如表1所示。

表1 双圆极化复用数传链路各环节的信号功率Table 1 Signal power at every part of dual-polarized data transmission link

以表1中的通道1信号为例，接收天线接收到的主极化信号（仍为左旋）的功率为

接收到的交叉极化信号（变成右旋）的功率为

式（3）和式（4）中忽略了二阶小量。令b＝bR＋bL＋bT，可定义其为整个传输过程的等效能量反旋系数，则接收端主极化信号C与交叉极化信号Ⅰ的功率比可表示为

上式也可理解为整个传输过程的等效合成极化隔离度，即

由上式可知，只要知道了整个传输过程的等效能量反旋系数b，便可计算出等效合成极化隔离度。而整个传输过程的等效能量反旋系数b由三个因素决定，即发射端反旋系数bT、接收端反旋系数bR和传输路径的反旋系数bL。其中bT和bR可通过对发射系统和接收系统的测试得到，而对bL的分析见3．2节。

3．2 信号传输介质的去极化效应分析

在遥感卫星星地数传的电磁波传播过程中，要经过电离层、大气层。经过电离层时主要产生法拉第旋转效应；经过大气层时受到各种沉降粒子影响，产生去极化效应［6-8］。以电离层、晴空大气为始终存在的因素，以降雨、降雪、沙尘暴的单一存在考虑（即不同时存在），电波穿过电离层、大气层对X 频段信号的典型去极化效应为3～4dB，恶劣天气条件下，特别是特大暴雨天气下，去极化效应非常严重［9］。

知道了传输介质的去极化效果，便可根据发射端的能量反旋系数bT计算得到传输介质的能量反旋系数bL。

3．3 链路极化损耗及其影响

通过上述分析和计算，可得到整个传输过程的等效能量反旋系数b。在进行双圆极化频率复用数传链路的预算时，需对交叉极化引起的链路损耗进行评估。考虑交叉极化信号相对主极化信号均为噪声（未考虑地面接收端极化补偿），在接收端的信噪比为

式中：N0B为接收带宽内的热噪声功率；Ⅰ为交叉极化信号功率。于是得到

定义由交叉极化引起的链路损耗为

式中：ⅠXP＿C为整个数传链路的等效合成隔离度；L为链路交叉极化损耗，dB。

根据式（9），可绘制出在接收端接收到的实际信噪比随链路功率（单极化模式下）和链路等效隔离度的变化曲线，如图1所示；根据式（10），可绘制出极化损耗随链路信噪比，单极化模式下）和链路等效隔离度的变化曲线，如图2所示。

图1 链路实际接收信噪比与链路功率及等效隔离度的变化曲线图Fig．1 Curves of the actually received link SNR varying with link power and equivalent isolation

由图1、图2可得出以下结论：

（1）在链路功率（信噪比）一定的情况下，链路等效合成隔离度越大，表示两个旋向信号的正交性越好，接收端实际接收信噪比越高，即由交叉极化引起的极化损耗就越小。

（2）在链路等效合成隔离度一定的情况下，随着链路功率的增大，接收端的实际接收信噪比逐渐趋近于一个极限值，同时由交叉极化引起的极化损耗越大。这就说明，在链路等效合成隔离度一定的情况下，可以通过链路功率对双圆极化带来的链路损耗进行一定程度的补偿，但随着链路功率的增大，补偿效果逐渐减弱。

图2 极化损耗随链路功率（单极化模式下信噪比）和链路等效隔离度的变化曲线图Fig．2 Curves of the polarization loss varying with link power（SNR at mono-polarization mode）and equivalent isolation

4 双圆极化频率复用在遥感卫星数据传输中的应用

为了保证可靠的卫星数传通信，国际通信卫星公司（INTELSAT）提出了严格的指标要求。例如对新建地球站天线要求达到电压轴比RVA＿R≤1．06（0．5dB），相应的极化隔离度ⅠXP＿R≥30．7dB，计算可得接收端能量反旋系数bR＝0．000 9；同时要求星上天线极化隔离度达到ⅠXP＿T≥27dB，计算可得发射端能量反旋系数bT＝0．002 0。取传输介质去极化4dB，计算可得传输介质的能量反旋系数bL＝0．003 0。如此便可计算出整个传输过程的等效能量反旋系数b＝bR＋bL＋bT＝0．005 9，以及等效合成极化隔离度为

式中：得到的ⅠXP＿C的单位为dB。根据式（10）绘制出极化损耗随链路接收信噪比（单极化模式下）的曲线，如图3所示。

由图3可知，此时极化损耗会随着链路功率的增加而增大。因此需综合考虑轨道高度和链路裕度要求等因素，设计链路发射功率和等效全向辐射功率（EIPR），以达到数传链路的最优化设计。

图3 极化损耗随链路功率（单极化模式下）的变化曲线图Fig．3 Curve of the polarization loss varying with link power（at mono-polarization mode）

5 结束语

根据上文中针对双圆极化频率复用技术在遥感卫星数据传输中的应用分析，可得出如下结论和建议：

（1）极化复用技术是解决遥感卫星输出传输中频带资源紧张的一种有效手段，是未来卫星数据传输的一个发展趋势。国内外均已成功地将此项技术应用于在轨运行的遥感卫星数据传输系统中。目前应用较广泛的是X 频段的双圆极化数传链路，未来还可以考虑扩展至Ka频段的双圆极化。

（2）采用极化复用会对数据传输质量带来一定影响，主要表现在极化损耗上，在链路计算中需要予以考虑。根据本文提出的方法，可对各环节极化隔离度、链路发射功率等参数，定量估算极化复用对数据传输链路的影响。

（3）在实际的链路设计中，可根据不同轨道参数、不同频点、不同地面站接收参数等信息，对链路的发射极化隔离度和发射ERIP 进行优化设计，达到指标体系的最优化，在确保下传的质量时，寻求系统的最优化设计，节约系统成本。

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